综述：重组蛋白生物工艺处理的进展：技术创新与环境可持续性的整合

《Biotechnology Letters》：Advances in recombinant protein bioprocessing: integrating technological innovation and environmental sustainability

　　

本研究旨在通过结合技术成熟度框架（TRL/BRL）与环境可持续性指标，对重组蛋白生物工艺处理进行综合评价。研究人员开展了基于文献的结构化分析，涵盖生物工艺工程的最新进展，包括精确发酵、人工智能辅助控制以及可持续性评估工具，如生命周期分析（LCA）和过程质量强度（PMI）。使用微生物系统（如大肠杆菌）生产重组蛋白展现出高可放大性和成本效益，其报告的排放量显著低于传统药物合成（≈ 20 vs 351 kg CO2 eq/kg产品）。然而，在实验室规模创新与工业实施之间仍存在关键差距，特别是在新兴经济体中。数字工具（包括人工智能和数字孪生）的整合显示出提升过程优化和放大成功率的巨大潜力。弥合技术开发与工业部署之间的差距需要整合过程设计、可持续性指标和就绪度框架。有针对性的创新策略对于加速生物药物开发和改善全球健康结果至关重要。

引言

重组蛋白的高效生产是现代生物技术的基础支柱之一。基因组学、黑色素瘤筛查和酶优化策略等项目在该领域做出了重要贡献，产生了大量重组蛋白。在此背景下，表达系统的评估推动了用于分析生物过程及其各自产量的小型生物反应器的开发。然而，实现重组蛋白的大规模生产仍具挑战性，包括翻译后修饰、高效的资源生物转化以及生物过程链（上游、生物生产和下游过程）的优化。这需要进一步改进和研究以提高蛋白滴度、空时产率和生产速率。尽管如此，通过精确发酵生产的重组蛋白作为临床应用的 functional 生物药物具有巨大前景。因此，本研究旨在通过结合技术、环境和过程创新视角，对重组蛋白生物工艺处理进行综合评价，并强调学术研究向工业实施转化的关键差距。

技术方面

重组蛋白的生成是当代生物技术的基础，促进了生物药物、工业酶和治疗性分子的开发。选择合适的表达系统对于优化生物药物生产（确保高产）和实现工业可放大性至关重要。许多系统可用于表达重组蛋白，微生物系统通常比哺乳动物平台达到更高的体积滴度。这些值是代表性的，可能因目标蛋白和过程条件而异。另一种用于重组蛋白表达的方法是哺乳动物宿主系统，如中国仓鼠卵巢（CHO）细胞。自 Activase? 首次获得 FDA 批准以来，已有超过 100 种重组蛋白利用 CHO 细胞等哺乳动物系统，主要是因为它们能够产生具有人类样糖基化的蛋白质。然而，缺点包括病原体污染、生长缓慢、生产成本高，以及复杂上游培养和下游处理相关的高成本，下游处理通常是总生产成本的主要贡献者。使用转基因微生物（特别是大肠杆菌）通过发酵生产蛋白质或多肽具有许多优势，包括大规模生产、研究透彻的系统以及细胞快速生长。发酵过程技术的进步可以提高效率和可持续性。精确发酵已成为该过程中最合适的工具，它通过靶向遗传修饰重新编程微生物的代谢途径，从丰富、低成本的底物中生产物质。精确发酵将前沿过程工程与可持续发展承诺相结合。

生物过程和生物药物生产的创新

生物制药行业对更高效、可放大和成本效益过程的需求推动了重组蛋白生产中生物过程工程的最新进展。在此背景下，精确发酵成为生产高价值生物分子（包括专用酶和治疗蛋白）的高度竞争和可放大平台。与传统发酵通常产生混合物不同，精确发酵提供高度受控、高产的目标化合物生产。生物过程控制的最新进展整合了智能传感器、计算建模和机器学习，以提高过程效率和精度。智能传感器能够实时监测生物反应器中的关键参数，如 pH、温度和溶解氧。计算模型可以模拟发酵过程中的细胞生长动态，而机器学习算法越来越多地用于预测最大化生产率的最佳操作条件。人工智能，特别是数字孪生，可以促进从实验室生物反应器到工业生物反应器的放大。这些策略是改善发酵过程生产力和可持续性的基础。主要技术趋势包括精确发酵、过程系统工程和先进过程控制。最近的研究证明了人工智能在生物过程优化中的实际应用。例如，机器学习模型已成功应用于预测补料分批发酵中的最佳补料策略，从而改善生物量积累和产物收率。同样，数字孪生模型已被用于模拟大规模生物反应器条件，通过再现工业系统中观察到的氧传递和营养物质分布梯度，实现更准确的放大。

技术成熟度评估：TRL 和 BRL

技术成熟度评估对于巩固生物技术领域的创新至关重要，特别是在生物药物和生物疫苗的生产中。技术成熟度等级（TRL）量表被广泛用于量化技术的发展阶段，从理论概念到工业验证。它包含九个级别，分为三个阶段：概念验证（TRL 1–3）、实验室验证（TRL 4–6）和商业实施（TRL 7–9）。该框架中的一个关键阶段是“死亡之谷”，许多有前景的技术由于资金缺口、技术障碍或市场不确定性而在此失败。成功推进需要概念验证和竞争可放大性。值得注意的是，每 5000–10,000 项创新中只有一项实现商业化，这凸显了促进技术转化的策略的重要性。这一挑战在生物过程中尤为相关，特别是在药物开发和治疗设备开发中，以实现商业可行性。尽管上游发酵策略取得了进展，但下游处理仍然是重组蛋白生产中的一个重大成本障碍，占总过程成本的 80%。纯化方法的选择取决于蛋白质的特性（如分子量、溶解度、等电点）和生产规模。实验室规模方法优先考虑高纯度，而工业规模方法侧重于最大回收率、效率和成本降低。生物技术部门在学术界、工业界和政府之间的技术转移中发挥着核心作用，这突显了其对创新生态系统的重要性。鉴于 TRL 在捕捉生物药物制造特殊性方面的局限性，已经提出了补充框架。生物制造就绪等级（BRL）由美国国家生物制药创新制造研究所（NIIMBL）开发，提供了针对临床和工业生产就绪度的更量身定制的评估。类似地，商业就绪等级（BRL）框架解决了商业化方面，分为三个阶段：概念开发（BRL 1–3）、概念验证（BRL 4–7）和概念实现（BRL 8–9）。专利分析也有助于通过识别技术趋势和创新差距来评估成熟度。可以从科学出版物（TRL 3）、学术专利（TRL 4）和国家专利（TRL 5–6）推断中间 TRL。虽然科学产出（TRL 3）在生物制药等领域保持强劲，但在将这些发现转化为应用技术（TRL 4–5）方面存在显著差距，阻碍了大规模工业实施。然而，TRL 本身并未捕捉经济可行性，这对工业实施至关重要。对关键经济驱动因素的全面评估，包括资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）和商品成本（COGs），直接影响可放大性和商业可行性。定性技术经济评估（TEA）视角对于增强生物过程的评估非常重要。过程强化策略，特别是从分批到连续制造的过渡，已显示出显著的经济优势，包括由于生产率提高、设施占地面积减小和资源利用效率提高而降低 COGs。连续生物处理与商品成本的大幅降低相关，据报道，微生物系统的降幅约为 73–83%，单克隆抗体生产的降幅为 35–68%，具体取决于规模和过程配置。此外，尽管工业保密和专利保护可能限制知识传播，但新兴的开放生物制造计划和竞争前联盟正在帮助克服这些障碍。这些举措促进了非专有知识的交流，减少了重复工作，并加速了创新，特别是在克服与“死亡之谷”相关的瓶颈方面。最后，重组蛋白和生物药物的生产取决于生物过程工程（上游、下游、优化）的进步以及克服监管和放大挑战。TRL、BRL 和 TEA 方法的整合为评估技术成熟度提供了一个强大的多维框架，支持生物技术作为创新和工业发展的战略部门的发展。

环境方面

几种评估方法，如 E 因子、PMI 和 LCA，用于测量生物药物生产的环境影响。尽管 LCA 更强大和标准化，但由于其复杂性、大量时间投入以及依赖早期开发阶段通常不可用的数据，它经常被忽视。因此，在生物过程开发的早期阶段缺乏环境可持续性评估的系统整合，以及在这些初始阶段使用技术经济（TEA）和生命周期（LCA）评估工具。这一差距阻碍了实验室创新向商业可行且真正可持续的生物制造平台的转化。因此，人们越来越多地讨论在生物药物生产的所有阶段进行生命周期评估的重要性。

生物过程的环境影响

生物过程面临着与高排放投入相关的可持续性挑战；密集型农业部门，特别是肠道发酵，对全球温室气体清单和生物过程培养基的环境足迹贡献显著。这强调了需要评估生物过程培养基中动物和农工业来源底物的来源，其需求维持了高排放系统。对投入（碳源、氮源、维生素、水）的供应链进行颗粒度分析至关重要；然而，追踪生物药物生产中使用的所有投入的环境影响的全面评估仍然稀缺。此外，生物药物生产中的下游过程是主要的耗水环节，占该阶段所用所有组分的 95%。这些水主要用于设备清洗和缓冲液制备，这两者都是大容量过程。然而，当前的高水位和缓冲液消耗水平与可持续发展目标中设定的全球承诺直接冲突。随着生物制药市场需求的增长，制定和实施更可持续的战略至关重要。这些战略对于最小化这些过程的环境影响并确保该行业与可持续发展目标保持一致是必要的。另一个关键的环境挑战是管理生物过程中产生的废物。传统上，生物制药行业关注产品纯度、生产力和收率，可持续废物管理往往被置于次要地位。然而，从分批到连续操作的过渡策略显示出减少水和缓冲液消耗的潜力，从而提高过程效率。

可持续性创新

为了减轻环境影响，生物制药行业投资于连续细胞培养和一次性技术（SUTs）。SUTs 消除了在线清洗（CIP）和在线灭菌（SIP）步骤，似乎比不锈钢减少了水和能源使用。然而，研究表明了一种误解：洁净室基础设施占气候影响的 80%，而塑料废物贡献小于 8%。研究补充指出，连续 SUT 平台仍消耗 4865 kg 水/kg 产品。此外，E 因子指标（不包括能源和 CO₂）掩盖了电力相关负担。作为背景，基于发酵的产品（如重组蛋白）排放 20 kg CO₂ eq/kg，而化学合成排放 351 kg CO₂ eq/kg。节水下游和缓冲液回收直接影响 LCA 结果。对于单克隆抗体（mAb）初级回收，一次性过滤在小规模（50 kg/年）下比离心降低高达 10% 的商品成本，同时降低水使用和过程质量强度（PMI）；在大规模（1000 kg/年）下，尽管 PMI 较高，离心更便宜——这是一种权衡风险。对于缓冲液回收，风险感知评估将节约限制在 14–23% 由于污染风险，但实验性 CIP 缓冲液回收实现了 29% 的节约，且不影响纯度或收率。将 PMI 与 LCA 指标联系起来指导早期设计。因此，SUTs 的感知环境效益是一种矛盾，源于指标的选择。有效的缓解措施在于可再生能源（减少高达 89%）和过程强化，而不是塑料回收（仅提供 2% 的气候效益）。能源脱碳，而非废物管理，应该是该行业主要的可持续性重点。

结论

将生物技术应用于重组蛋白的生产对制药和生物医学工业具有越来越重要的意义。事实上，它已经在免疫疗法和生物药物的开发方面取得了实质性进展。然而，该过程的可放大性和经济可行性仍然带来重大挑战，需要先进的优化策略和技术创新。本研究强调，明智地选择表达系统、制定高效的纯化方案以及整合新兴技术（如人工智能和连续生物过程）对于优化生产力和降低运营成本至关重要。从环境角度来看，实施可持续实践可以减轻负面影响并减少生物制药行业的碳足迹。因此，本研究强调，重组蛋白技术从实验室向工业的成功转化取决于技术成熟度、经济可行性和环境可持续性的整合。虽然微生物系统在可放大性和成本方面具有明显优势，但下游处理和监管要求相关的挑战仍然是重大障碍。TRL/BRL、TEA 和 LCA 框架的结合使用为引导创新和改善生物过程开发中的决策提供了全面的方法。此外，数据可用性受工业保密和专利限制，阻碍了研究。